开源分享之一：第九届全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛（光电组）电路板设计

天翊 · 发表于 2014-5-1 11:34:35

本帖最后由天翊于 2014-5-1 11:34 编辑

   作为一名大三的学子，很有幸参加了第九届全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛。作为一个机械学子，在这个领域可谓是一张白纸，因为大二曾经自学过机电自动化方面的知识，这对整个制作起到了关键的作用。
   全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国，是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的大学生课外科技竞赛，按传感器类别分为摄像头组、光电组、电磁组、创意组。该竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应的控制软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。该竞赛涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。
   我们组所参加的光电组，主要是以光电传感器或者线性CCD（现已禁止使用激光传感器）作为主要路径传感器，我们组选用的是飞思卡尔半导体公司的16位微处理器——RAM内核的K60系列，基于组委会指定的B车模平台而去制作智能车，B车模相对来说，车模采用舵机控制前轮转向，后轮使用滚珠差速器从而实现转弯差速。车模相对比较笨重，驱动电机的功率较大，转向半径较小，车模轮胎摩擦系数较小，这都严重制约了车速的提高。

                           B车模
   有了车模，只是第一步。硬件设计工作的重任落在我肩上，基于上面车模因素，对我们组的硬件设计工作带来严重的考验，经过前期资料和历届技术报告的查阅，我们组最终定下了电路硬件的设计图纸。整个电路硬件设计是使用的Altium Designer软件，工程的原理图如下：（采用分层设计思路设计原理图。）一、采用分层结构设计，使设计思路清晰，各电路模块关系明确。

顶层连线关系
二、电源部分设计    电源是一个系统工作稳定的基本保障，所以电源的设计工作对整个系统至关重要的。
   经过查阅电子电路设计手册以及相关网上资料后，最终采用如下设计方案：    1.电源7.2V动力电池供电，瞬时电流能达到5A，满足驱动电机的驱动要求，但是对稳压电路带来了严重的影响。因为当电机电流过大，会造成电源大的压降，以至于稳压芯片不能正常工作，得不到想要的稳压电压，会导致微处理器自动复位，带来不可预料的危险。
   2.经过查阅大量资料，最终确定采用底线性压差稳压的TPS7350、TPS7333 芯片分别得到5V、3.3V电压。5V主用给5V供电要求的芯片供电和测速编码器供电。3.3V主要给K60微处理器供电，虽然K60超频到100M时，相对普通微处理器功率高，由于采用TPS7333芯片稳压，输出功率也较高，所以满足微处理器正常工作要求。数字舵机的电源要求也相对较高，我们选用LM2941可调稳压芯片来作为舵机的电源，通过合理选择LM2941稳压电阻的阻值，就能得到5.5V的电压，可调稳压输出也方便后期的调试，因为在竞速的模型上，转向的灵活和快速，决定了车模的车速和稳定。所以常常为了加快舵机的响应速度，缩小舵机的响应时间，适当的加大舵机的供电电压。    3.为了满足驱动电机的快速加减速，因而IR2104芯片驱动大功率的MOSFET管—（相当于一个开关，电机电源还是7.2V，它的作用只是负责通过控制信号控制电机电源的接通和断开，已方便PWM电机调速）,而IR2104的工作电压范围为10-20V，所以需要设计升压电路。升压电路采用MC34063芯片升压，因为MC34063匹配电容的电容值不容易选择，经过几次调试，从7.2V升14V电路总是不太稳定，最终我们采用舵机电源5.5V升14V，经测试，该升压电路能稳定工作并且满足IR2104供电要求。    4.再加上开关和电源指示灯就完成了电源原理图部分的设计工作了。

电源
三、控制器电路设计，车模的大脑，稳定性异常重要。
   1.注意K60特殊功能的输出引脚，FTM实现PWM调速，LPTMR0_ALT2（输入捕捉）实现编码器测速，ADC实现CCD模拟电压的采集。
   2.预留SPI、串口通信接口，方便调试。
   3.PCB设计过程中，注意信号线的线宽和相邻信号线的间距，采用数字地和模拟地分开的原则，PCB两面都需要覆铜以减少信号干扰。

                                                                                                      控制器

四、电机驱动电路作为整个系统的心脏，是提升速度的关键模块，因为模型车在运行过程中，需要频繁的急加、减速。（对于直流电机，通过PWM调速大幅度增加电机电源的电压实现急加速，通过PWM调速在电机上加一个适当的反向电压，从而实现电机的制动，完成急减速过程，整个过程的PWM调速电压，都是通过软件算法——PID控制器来实现的，不能胡乱的加大电机电压，否则会出现电路板或者电机的损害，再进行减速制动的时候需要特别注意，减速制动产生大电流和大压降，对电路板和整个系统来说都是一个大的考验。）所以驱动电路的设计工作不能马虎，借鉴北京科技大学的驱动电路设计图纸，我们设计出如下电路：
   1.IR2104控制大功率的MOSFET管的通断，能满足上述的电机的大电流要求，1片IR2104控制2片大功率的MOSFET管，形成一个电流回路，即可实现直流电机的驱动，但是为了实现车模的加、减控制策略，需要给直流电机加上正向、反向电压，所以需要使用2片IR2104控制分别独立4片大功率的MOSFET管，搭建一个H桥电路，从而实现直流电机加上正向、反向电压。
   2.PCB（印刷电路板，先绘制电路原理图（元器件电气连接，方便后面的PCB物理层连线，我们使用的电路板都是元器件的物理连接），然后绘制元器件封装，最后连接各元器件的物理层关系）设计过程中，需要在MOSFET管和IR2104芯片下面放置散热孔。
   3. 电源和电机电源走线尽量宽。


                                                                                                         电机驱动
五、速度检测电路
   因为采用成品单相200线旋转编码器（转一圈输出200个矩形波，处理器根据这个原理可以实现一定时间内的脉冲计数，从而实现测速功能），测速电路相对简单。按照旋转编码器手册，对照接口定义设计电路就行。
   1.输出端需要上拉3.3V，不上拉时输出波形不是需要采集的矩形波。
   2.编码器采用5V电源供电时，输入波形叫稳定，适合微处理器进行捕捉计数。

六、设计按键和显示屏是为了方便调试和设置参数用，不做过多说明。
   1.按键一般需要上拉，但是考虑到K60处理器可以通过程序设置上拉，所以这里没有上拉。
   2. 显示屏一般采用Nokia5110液晶，小巧轻便。

                                                                                                               按键

                                                                                                            LCD显示屏
七、2路CCD传感器电路
   1.因为今年比赛规则增加了“强制掉头区”，车模要想顺利通过“ 强制掉头区”，有两种方案：1).减速，慢速大转向通过该区域；2).减速，并反向行驶出该区域，需要两个CCD，正向行驶一个CCD，反向行驶一个CCD。

   2.尽量采用FPC排线，减少信号干扰。

                                                                                                               CCD传感器

八、具体的PCB线路设计过程不做太多的说明，因为实在不能用几句简单的话来概括，需要学习的，可以去网上查阅相关资料。
制作的PCB效果

工厂生产出来的PCB效果

总结：
   做电路硬件设计，先要查阅资料，设计出满足功能的电路原理图，其次需要亲自动手搭建电路，验证可行性，在绘制PCB板过程中，要细心，全身心投入，不然就会出现大的错误，要真是等到板子到手了，才发现问题，那就是几百元不翼而飞了！不可能没有错误，但是我们应该尽量避免犯错。多实践，多动手，多练习，多分享，多交流。这就是一个积累的过程，积累到一定程度，经验就是你的一大资源。

小弟也是菜鸟，大神们请勿喷！

补充内容 (2014-6-29 10:15):
32位ARM处理器

补充内容 (2014-7-27 08:20):
我已经将我的所有有价值的资料分享到了该贴：http://www.znczz.com/thread-224317-1-1.html，有需要请前往下载。

补充内容 (2018-4-18 13:13):
更多资料见 https://github.com/fan-haobai/smart-car-freescale。